姚盼盼，王 強，張 凱，丁 忠

（1.濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 濟南250022；2.山東拓維數(shù)控設(shè)備有限公司，山東 濟南250022）

0 引言

1600 kN 開式壓力機是一種通用性很強的壓力機，廣泛應(yīng)用于沖裁、彎曲、切邊和拉深等冷沖壓工序。1600kN開式壓力機機身的結(jié)構(gòu)為C 型，三面敞開，喉深較大，裝卸料、裝卸模具等操作都很方便，適合于較大型板材的沖壓加工。但由于機身呈C 型，剛度較差，使用過程中會出現(xiàn)角變形，影響加工工件的精度和模具使用壽命，嚴重時會出現(xiàn)沖頭斷裂，一般適合中小型壓力的加工場合。

柏甫榮和高建和等人[1]提出了一種半閉式的機身結(jié)構(gòu)，使開式機身出現(xiàn)角變形帶來的影響得以降低。王勇[2]和詹俊勇、黃建民[3]等人運用有限元軟件對開式壓力機機身結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化，對機身強度、剛度的提高提供了依據(jù)；李瑩通過對JZ21 型開式壓力機進行三維建模及分析，獲得了改進機身結(jié)構(gòu)的可靠依據(jù)[4]。張凱[5]等人也對開式壓力機的角變形進行了深入研究，對提高模具的使用壽命提供了依據(jù)。

查閱文獻[6]，可大體得出機身角變形示意圖如圖1 所示。角變形的計算公式為：

圖1 機身變形示意圖

1 1600kN開式壓力機強度及剛度分析

1.1 有限元分析模型

1.1.1 幾何模型

1600 kN 開式壓力機的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)主要是由機身和滑塊等各部件組成，共有幾十個零件，機身由側(cè)板、加強板、筋板、立板、外側(cè)板等焊接而成。為降低有限元分析難度，將模型進行合理簡化。簡化時按照既要使分析難度降低又不能使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)生太大變化的原則進行。為此，作如下簡化和假設(shè)：

（1）對于明顯不會影響壓力機整體強度和剛度的部位，如某些銷孔、螺紋孔、尖角和圓角等進行簡化。

（2）將導(dǎo)軌看做自由界面，滑塊與導(dǎo)軌間視為無力傳遞。

簡化后的壓力機由機身和滑塊兩部分組成，因為直接用ANSYS 建模很不方便，所以借助SolidWorks進行建模，SolidWorks 建模時由于考慮到有限元軟件ANSYS 對于多個零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析時會影響求解效率，加大計算機的工作量，所以在不改變壓力機整體結(jié)構(gòu)的情況下，將機身的所有零件簡化成一個整體零件。這樣ANSYS 通過計算機分析時效率大大提高，而且不會影響最終分析結(jié)果。

該機的導(dǎo)軌和液壓缸是通過螺栓螺母緊固在機身上的，所以在不影響分析結(jié)果的情況下將導(dǎo)軌、液壓系統(tǒng)直接建在機身上。由此焊接機身、液壓缸以及導(dǎo)軌在建模時簡化為一個零件；滑塊部分各零件也同理建模為一個零件。再利用SolidWorks軟件的接口導(dǎo)入到ANSYS 進行分析。簡化后模型如圖2所示。

圖2 1600kN開式壓力機簡化模型

1.1.2 材料參數(shù)

1600 kN 開式壓力機現(xiàn)有機身整體為鋼板焊接，材料為Q235，其材料參數(shù)為：彈性模量220GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。

1.1.3 網(wǎng)格劃分

綜合考慮計算精度和效率，選用四面實體自由網(wǎng)格劃分，將尺寸精度均控制在6 上，Global 尺寸控制在0.1。整個模型共劃分16641 個單元，29961 個節(jié)點。網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 1600kN開式壓力機網(wǎng)格圖

1.1.4 接觸、約束和載荷

約束：1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)是通過底板用地腳螺栓來固定床身，因此在底板處添加X、Y、Z方向上的零位移全約束，這樣既保證了消除剛體位移，又不影響床身的正常自由變形。

接觸：1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)需要建立導(dǎo)軌與滑塊、活塞桿和活塞之間的接觸。

載荷：方案A 與B 均在液壓缸的上頂面（A1）、活塞桿大頭端上頂面（A2）、滑塊下底面中間位置（A3）及工作臺的外側(cè)板上表面（A4）添加均布載荷。其中沖裁力為1600kN，面積和載荷如表1 所示。圖4 為1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)的約束和載荷施加圖。

表1 面積和載荷匯總

圖4 1600kN開式壓力機約束和載荷加載

1.2 結(jié)構(gòu)與分析

將SolidWorks 建立的模型導(dǎo)入到有限元ANSYS中，經(jīng)過分析，得到1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖，如圖5、6 所示。結(jié)果分析如表2 所示。

圖5 1600kN開式壓力機等效應(yīng)變云圖

圖6 1600kN開式壓力機等效應(yīng)力云圖

表2 結(jié)果分析表

2 結(jié)構(gòu)改進與分析

通過對1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)的分析，可發(fā)現(xiàn)喉口處為危險位置，整個機身出現(xiàn)了“張口”，角變形會影響工件精度以及模具使用壽命，所以對此現(xiàn)象提出改進。在工作臺上方和壓力機前方增加加強壁，進而減少機身角變形。上方通過螺栓和壓力機連接，下端用地腳螺栓固定。加強壁結(jié)構(gòu)三維圖如圖7 所示。

通過增加該加強壁結(jié)構(gòu)，雖然會影響1600kN開式壓力機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)從前向后上下料的方便性，但是對于想要提高加工工件精度和模具使用壽命的自動化送料的設(shè)備很有利。由于工作臺尺寸的寬度不同，故將跨距設(shè)定為1500mm 和2000mm 兩種（方案A 跨距1500mm；方案B 跨距2000mm）。

2.1 改進結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.1.1 幾何模型建立

將加強壁結(jié)構(gòu)通過4 對螺栓與1600kN開式壓力機現(xiàn)有機構(gòu)裝配，如圖7 所示。

圖7 1600kN開式壓力機結(jié)構(gòu)改進模型

2.1.2 材料參數(shù)

為保證1600kN開式壓力機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與改進結(jié)構(gòu)之間的可比性，必須保證其他條件相同。故材料參數(shù)設(shè)置同1.1.2。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方式同現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的方式劃分，方案A：共268317 個單元，429070 個節(jié)點。方案B：共325692個單元，459276 個節(jié)點。

2.1.4 接觸、約束和載荷

約束：比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)多了一個全約束（改進結(jié)構(gòu)底面），其余相同。

接觸：比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)多了8 個接觸對（螺栓連接處），其余相同。

載荷：與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相同。

2.2 結(jié)構(gòu)與分析

將在SolidWorks 中裝配好的跨距分別為1500 mm、2000mm 的改進結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS 中進行分析求解，得出兩種方案的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖，如圖8、9、10、11 所示。結(jié)果對比見表3 所示。

圖8 方案A 等效應(yīng)變云圖

對方案A 和B 以及1600kN開式壓力機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn)：

（1）方案B 中壓力機所受的最大Von-Mises 應(yīng)力值比方案A 大一點，但是都比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值小很多。

圖9 方案A 等效應(yīng)力云圖

圖10 方案B 等效應(yīng)變云圖

表3 兩種方案的分析結(jié)果對照表

（2）方案A、B 與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最大變形及應(yīng)力均集中在喉口處。從整體變形量來看方案A、B 均比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)小很多。方案A 比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)角變形量降低了96%，方案B 比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)角變形量降低了92%。

（3）現(xiàn)有結(jié)構(gòu)角剛度為0.82kN/μrad，方案A 角剛度為36.99kN/μrad，方案B 角剛度為16.88kN/μrad，方案A 比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)角剛度增加了98%。方案B 比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)角剛度增加了95%。方案A 比方案B 角剛度增加了54%。

3 結(jié)束語

通過對1600kN開式壓力機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和改進后結(jié)構(gòu)的兩種方案的有限元結(jié)果分析，得出改進后結(jié)構(gòu)角變形減少了92%～95%，角剛度增加了95%～98%。改進后結(jié)構(gòu)雖增加了板材使用，但對于角變形的減小效果顯著，從而可提高工件加工精度，降低模具磨損。

[1]柏甫榮,高建和,詹俊勇,等.半閉式壓力機機身的有限元分析與優(yōu)化[J].機械工程師,2010,（11）：90-92.

[2]WANG Yong,CUI Bao Ping,LI Kun,etc.Structural Analysis and Experimental Research of an CNC Hydraulic Swing-type Plate Shears[J].SciVerse ScienceDirect,2012,（3）：414-420.

[3]詹俊勇，黃建民.JH21-63 型壓力機機身的有限元分析與結(jié)構(gòu)測試[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2010,45（2）：61-63.

[4]李 瑩.JZ21 型開式壓力機機身結(jié)構(gòu)的力學(xué)建模及其優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2003,38（3）：19-22.

[5]中國機械工程學(xué)會塑性工程學(xué)會.鍛壓手冊：沖壓[M].北京：機械工程出版社,2008.

[6]Zhang K,Wang Q,Yao P P,Ding Z.Analysis on Angular and Torsional Deformation of Open Front Press.Applied Mechanics and Materials.2014（635-637）：123-126.